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放屁的聲音可以控制嗎?屁的聲響從何而來?——《一顆屁的科學》

時報出版_96
・2019/09/04 ・2744字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 527 ・七年級

歡迎來到羞羞物理學的領域

編按:本書作者專攻(?)肛道聲學(研究產自屁股、引發聲響的力學波)與括約肌專屬之流體力學,研究穿越肛門的氣體與液體移動。接下來有不少關於肛門與括約肌的討論,請做好心理準備。作者表示:「就一個沒念過醫學院的人而言,我研究過的肛門圖表應該是世界上最多的。」

聲音來自能製造許多壓力波的振動。人類只能聽見每秒發生一定次數的波動(頻率),範圍特別是介於每秒二十次的重低音(20Hz)和每秒兩萬次的極高音(20KHz),因此,一顆屁要被聽見,必定來自振動頻率在此範圍的某種東西。這東西就是你的肛門,說得更明確點是你的直腸外開口,由肛門內括約肌與肛門外括約肌這兩組環形肌肉牢牢控制著。氣體在直腸這處氣體與糞便儲存槽裡累積時,壓力隨之累積,你會感覺到屁意或便意,因為有一組輕巧細微的機械式受器會傳訊息到大腦,說:「留意後頭,朋友,大條的要來了。」

這些知覺很靈敏,因此你通常可以分辨是屁還是大便。當你決定放鬆肛門外括約肌時(肛門內括約肌是你無法控制的,只有外括約肌在你掌控中),受擠壓的氣體就能衝開一個小漏洞,穿過肛門。

但,為什麼屁氣釋放時肛門會振動,發出那要命的呸呸氣音呢?好,這是因為壓力與摩擦力的緣故。情況是這樣,括約肌打開一點縫隙讓屁出來,但就在氣體移動時,氣體也在屁流過的同時將肛門括約肌吸回來,部分是因為流速快使壓力降低,部分是因為氣流沿著括約肌周圍繞出,還有部分原因是有洞開啟,直腸裡的壓力稍微下降。因此洞會短暫關閉,但幾乎在關閉的同時,壓力又多一些,再度把洞推開,降低壓力後又關上,如此反覆形成快速打開又關上的動作。當這打開又關上的重複動作每秒發生至少二十次,恭喜中獎,你製造了在聽覺範圍內的長串壓力波,獲得一顆屁了!從這裡開始就會談到流體力學。很神奇,對吧?

當你的肛門排氣時打開/關上的頻率達到 20 Hz,你就獲得一顆屁啦!圖/時報出版提供

所以,直腸內高壓與屁從肛門衝出瞬間所創造的低壓進行對抗,打造出響屁。

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在屁流出時縮緊或鬆開括約肌也能讓你改變屁的響聲──將屁眼擠得愈緊,音調就愈高,因為這樣會增加直腸裡的氣體壓力──而括約肌愈緊,孔洞愈小,振動就愈快。

看來有點兩難是吧?將括約肌鬆得太開有可能會洩出一點便便(一般稱為水屁),而更糟的是完全不放屁。括約肌真是不聽話。

藉由控制括約肌,你可以創造娛樂效果,也能維繫自己與心儀對象的關係。比方說,如果天還沒亮你就驚醒了,感覺有股大砲即將引爆,可是又不想吵醒枕邊人,請先為空氣撇條做好準備,在氣體即將出來時,就把兩瓣屁股盡量掰開,這樣括約肌篤定張開著,無法振動產生那熟悉的刺耳聲,你的直腸氣逸出只會帶著潛力被浪費掉的一絲咻咻嘆息,你的床伴依舊無知是福的安然熟睡(當然啦,還得看看它荼毒嗅覺的程度)。後續氣流當然也要小心,但多數練過的放屁人都有辦法好好收尾的。同樣的情況,如果已經早上七點,太陽晒到你伴侶的屁股上了,請將自己屁股與括約肌收起,像琴弓一樣繃緊,再用全力一洩而出,早安!

放屁的白努利定律/寬德效應

丹尼爾.白努利(Daniel Bernoulli,1700-82)是瑞士物理學家兼數學家,出生於苛薄善妒又工於心計的科學世家。他在力學研究中的數學應用這方面特別有天分,以白努利定律聞名後世,該定律描述流體力學中的能量保留現象。聽起來很無聊,實際應用卻很有趣,這是汽車汽化器運作的基本原理,可能也解釋了屁在不同情況下會以不同壓力與速度行進的現象。

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白努利定律是這樣的:在運動的流體中,流動速度高的點承受壓力比較小。

氣體流入,減少流體壓力而增加動能,由圖中兩管水銀的高度差可以看出氣壓差異。圖/Wikimedia Commons

據稱能表現這個運動現象的典型科學演示就是讓乒乓球在吹風機的氣流中漂浮,或者我個人偏愛的做法是,用吹葉機讓沙灘球飄起來。有不少物理學家爭論這現象究竟與白努利原理相關,還是寬德效應所致,不過利用紋影光學(Sschlieren optics)這種漂亮的視覺呈現技巧來分析球體周圍的氣流,可以清楚顯現球離開中央氣流,移向一旁,和噴射器中間較快的氣流相比,外側氣流速度較慢,球正被吸-與推-回到中間。白努利原理適用於封閉系統,但是在這個例子也行得通。

屁也一樣,當它衝出括約肌時會產生低壓,將括約肌吸回關閉位置,括約肌之前打開放出屁時,壓力暫時減弱也有關係。

羅馬尼亞工程師寬德(Henri Coandǎ,1886-1972)當兵表現糟透了,幹工程師的工作則特別優異,自稱他製造的寬德 1910 是史上第一架噴射機(不過他同事及當時的人都不相信那是史上第一架)。他在空氣動力學下了功夫,發現噴射的流體傾向於貼緊在浮凸表面上,形成低壓區域,這個結論被稱為寬德效應,這是另一個,或許講得更好的一個,能用來說明為何海灘球會漂浮在氣流中央的基本原理。如果球飄離主要噴射氣流,外側氣流速度較慢,擾流也多(壓力較高),而在氣流中央的球體凸面上的空氣流速比較快(壓力較低),這樣一來,球會被吸(與推)回中央。挺複雜的,但相同的壓力變化也可能在你的括約肌邊緣上演。

如何建造由吹葉機驅動的超大響屁?

圖/時報出版提供

小事一樁。首先你需要巨大括約肌。

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  1. 從水槽下拿出橡膠手套,或者去買直徑一公尺的氣球(用這個特別適合)。如果是用手套,切掉手指與拇指部分,只留下手腕處的橡膠袖套。若是用氣球,就將氣球橫向切半(也就是不要縱切,不要切到吹口部分)。
  2. 拿到吹葉機後要小心,這玩意兒可以變得很危險。絕對、一定、萬萬不可朝著自己的臉。
    只要有一丁點砂石被吸進去,就可能毀掉你的眼睛。切記別這麼做。
  3. 把手套或氣球最細的一端拉開、套上吹葉機,用強力膠帶封好固定住。
  4. 戴上耳塞,或者戴著耳機,然後請朋友拿著吹葉機,自己以雙手抓好手套或氣球鬆開的那一端,將它拉住、張開以做好準備,站在它的某一側,別讓吹口對著你。
  5. 現在大聲叫你朋友啟動吹葉機,當空氣通過吹葉機暴衝而出,可拉著、鬆開這括約肌來調整聲音,從劈里啪啦響亮高音到恐怖片級女妖鬼叫,各種屁聲都行。
  6. 痛快地玩吧。

* 給某些物理達人讀者。流體力學有個關鍵原理稱為白努利定律:流體速度增加時,壓力會降低。但是,任何能力還不差的工程師都知道,這只適用於流線(流體在力場中的流動線條)當中。麻煩的是,一旦你的屁通過肛門內括約肌,到達肛門外括約肌並逸出成為開放狀態,要確定流線實際上的位置就變得複雜了。

本文摘自《一顆屁的科學》,2019 年 7 月,時報出版

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出版品包括文學、人文社科、商業、生活、科普、漫畫、趨勢、心理勵志等,活躍於書市中,累積出版品五千多種,獲得國內外專家讀者、各種獎項的肯定,打造出無數的暢銷傳奇及和重量級作者,在台灣引爆一波波的閱讀議題及風潮。

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從奈米微塵到化學氣體, HEPA 與活性碳如何聯手打造純淨空氣?
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2026/04/17 ・4433字 ・閱讀時間約 9 分鐘

本文由 Amway 委託,泛科學企劃執行。

很多人可能沒想到,無論是家用的空氣清淨機,還是造價動輒百億的頂尖晶圓廠,它們對抗污染的核心武器並非什麼複雜的雷射防護罩,而是一片外觀像紙一樣的 HEPA 濾網
在半導體產業的無塵室中,「乾淨」的定義極其殘酷:一粒肉眼看不見的灰塵,就足以讓造價數百萬美元的晶圓直接報廢 / 圖片來源:envato

到底怎樣才算是「乾淨」?這不是什麼靈魂拷問,而是一個價值上億的商業命題。

在半導體產業的無塵室中,「乾淨」的定義極其殘酷:一粒肉眼看不見的灰塵,就足以讓造價數百萬美元的晶圓直接報廢。空氣品質的好壞,甚至能成為台積電(TSMC)決定是否在當地設廠的關鍵性指標。回到你的家中,雖然不需要生產精密晶片,但我們呼吸系統中的肺泡同樣精密,卻長期暴露在充滿 PM2.5、病毒以及各種揮發性氣體的環境中。為了守護健康,你可能還要付費購買「乾淨的空氣」來用。

因此,空氣議題早已超越單純的環保範疇,成為同時影響國家經濟與個人健康的重要問題。

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很多人可能沒想到,無論是家用的空氣清淨機,還是造價動輒百億的頂尖晶圓廠,它們對抗污染的核心武器並非什麼複雜的雷射防護罩,而是同一件看起來平凡無奇的東西:一片外觀像紙一樣的 HEPA 濾網。但你真的相信,就憑這層厚度不到幾公分的板子,能擋住那些足以毀滅精密晶片、滲透人體細胞的「奈米級刺客」嗎?

這片大家都聽過的 HEPA 濾網,裡面到底是什麼?

首先,我們必須打破一個直覺上的誤解:HEPA 濾網(High Efficiency Particulate Air filter)在本質上其實並不是一張「網」。

細懸浮微粒 PM2.5,是指粒徑在 2.5 微米以下的污染物,它們能穿過呼吸道直達肺泡,並穿過血管引發全身性發炎。但這只是基本,在工廠與汽車尾氣中,還存在粒徑僅有 1 微米的 PM1,甚至是小於 0.1 微米的「超細懸浮微粒」(UFP,即 PM0.1)。 UFP 不僅能輕易進入血液,甚至能繞過血腦屏障(BBB),進入大腦與胎盤,其破壞力十分可怕。

如果 HEPA 濾網像水槽濾網或麵粉篩一樣,單靠孔目大小來「過濾」粒子,那麼為了攔截奈米微粒,濾網的孔目只能無限縮小到幾乎不透氣的程度。更別說在台積電或 Intel 的製程工程師眼裡,一般人認為的「乾淨」,在工程師眼裡簡直像沙塵暴一樣。對於線寬僅有 2 奈米3 奈米(相當於頭髮直徑萬分之一)的晶片而言,空氣中一顆微小的塵埃,就是一顆足以毀滅世界的隕石。

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因此,傳統的過濾思維並非治本之道,我們需要的是原理截然不同的過濾方案。這套技術的雛形,最早可追溯至二戰時期的「曼哈頓計畫」。

HEPA 的前身,誕生於曼哈頓計畫!

1940 年代,製造濃縮鈾是發展原子彈的關鍵。然而,若將排氣直接排向大氣,會導致致命的放射性微粒擴散。負責解決這問題的是 1932 年諾貝爾化學獎得主歐文·朗繆爾(Irving Langmuir),他是薄膜和表面吸附現象的專家。他開發了「絕對過濾器」(Absolute Filter),其內部並非有孔的篩網,而是石綿纖維。

有趣的來了,如果把過濾器放到顯微鏡下,你會發現纖維之間的空隙,其實比某些被攔截的粒子還要大。那為什麼粒子穿不過去呢?這是因為在奈米尺度下,物理規則與宏觀世界完全不同。極微小的粒子在空氣中飛行時,並非走直線,而是會受到空氣分子撞擊,而產生「布朗運動」(Brownian Motion),像個醉漢一樣東倒西歪。

當粒子通過由緻密纖維構成的混亂迷宮時,布朗運動會迫使它們不斷轉彎、移動,最終撞擊到帶有靜電的纖維上。這時,靜電的吸附力會讓纖維就像蜘蛛網般死死黏住微粒。那些狂亂移動的奈米刺客,就這樣被永久禁錮迷宮中。

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現在最常見的 HEPA 材料,是硼矽酸鹽玻璃纖維。

現代 HEPA 濾網最常見的核心材料為硼矽酸鹽玻璃纖維。這些玻璃纖維的直徑通常介於 0.5 至 2 微米之間,它們在濾網內隨機交織,像是一座茂密「黑森林」。微粒進入這片森林後,並非僅僅面對一層薄紙,而是得穿越一個具有厚度且排列混亂的纖維層,微粒極有可能在布朗運動的影響下撞擊並黏附在某根玻璃絲上。

除此之外,HEPA 濾網在外觀上還有一個極具辨識度的特徵,那就是像手風琴般的摺紙結構。濾材會被反覆摺疊、摺成手風琴的形狀,中間則用鋁箔或特殊的防潮紙進行結構支撐,目的是增加表面積。這不僅為了捕獲更多微粒,而是要「降低過濾風速」。這聽起來可能有點反直覺:過濾不是越快越好嗎?

其實,這與物理學中的流速控制有關。想像一條水管,如果你捏住出口,水流會變得湍急;若將出口放開並擴大,雖然總出水量不變,但出水處的流速會變得緩慢。對於 HEPA 濾網而言,當表面積越大,單位面積所需承載的空氣量就越少,空氣穿透濾網的速度也就越低。

低流速代表微粒停留在濾網內的時間也更久,增加被捕捉的機會。此外,越大的表面積也為 HEPA 濾網帶來了高「容塵量」,延長了使用壽命,這正是它能夠稱霸空氣清淨領域多年的主因。

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然而,即便都叫做 HEPA 高效率空氣微粒子過濾網 (High Efficiency Particulate Air filter),但每個 HEPA 的成分與結構還是會不一樣。例如 安麗逸新空氣清淨機 SKY ,其標榜「可過濾粒徑最小至 0.0024 微米」的污染物,去除率高達 99.99%。

0.0024 微米是什麼概念?塵蟎、花粉、皮屑或黴菌孢子,大小約在 2 至 200 微米;細懸浮微粒  PM2.5 大小約 2.5 微米,細菌也大概這麼大。最小的其實是粒徑小於 0.1 微米的「超細懸浮微粒」,大多數的病毒(如流感、新冠病毒)都落在此區間。對安麗逸新 的HEPA濾網來說,基本上通通都是可被攔截的榜上名單。

在過敏防護上,它更獲得英國過敏協會(Allergy UK)認證,能有效處理 19 大類、102 種過敏原,濾除空氣中超過 300 種氣態與固態污染物。

同樣的過濾邏輯一旦進入半導體無塵室,就必須換一條更為嚴苛的技術路線。因為硼矽酸鹽玻璃纖維對晶圓來說有個致命傷,就是「硼 (Boron)」 / 圖片授權:Shutterstock

然而,同樣的過濾邏輯一旦進入半導體無塵室,就必須換一條更為嚴苛的技術路線。因為硼矽酸鹽玻璃纖維對晶圓來說有個致命傷,就是「硼 (Boron)」。

在半導體製程中,硼是常見的 P 型摻雜物,用來精準改變矽晶圓的電性。如果濾網有任何微小的破損、老化或化學侵蝕,進而釋放出極微量的硼離子,就可能直接污染晶圓,改變其導電特性,導致晶片報廢。

此外,無塵室要求的是比 HEPA 更極致的 ULPA(超低穿透率空氣濾網) 等級的潔淨度。ULPA 的標準通常要求對 0.12 微米 的粒子達到 99.999% 甚至 99.9999% 的超高攔截率。在奈米級的競爭中,任何多穿透的一顆微塵,都代表著一筆不小的經濟損失。

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為了解決「硼」的問題並追求極限的過濾效率,材料學家搬出了塑膠界的王者,PTFE 也鐵氟龍。鐵氟龍不僅耐酸鹼、耐腐蝕,還能透過拉伸製成直徑僅 0.05 至 0.1 微米 的極細纖維,其細度遠勝玻璃纖維。雖然 PTFE 耐化學腐蝕,但它既昂貴且物理上也很脆弱,安裝時若不小心稍微觸碰,數萬元的濾網就可能報銷。因此,你只會在晶圓廠而非一般家庭環境看到它。

即便如此,在空氣濾淨系統中,還有一樣是無塵室和你家空氣清淨器上面都有的另一張濾網,就是活性碳濾網。

活性碳如何從物理攔截跨越到分子吸附?

好不容易將微塵擋在門外時,危機卻還沒有解除。因為空氣中還隱藏著另一類更難纏的大魔王:AMC(氣態分子污染物)

HEPA 或 ULPA 這類物理濾網雖然能攔截固體微粒,但面對氣態分子時,就像是用網球拍想撈起水一樣徒勞。這些氣態分子如同「幽靈」一般,能輕易穿過物理濾網的縫隙,其中包括氮氧化物、二氧化硫,以及來自人體的氨氣與各種揮發性有機物(VOCs)。

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為了對付這些幽靈,我們必須在物理防線之外,加裝一道「化學濾網」。

這道防線的核心就是我們熟知的活性碳。但這與烤肉用的木炭不同,這裡使用的是經過特殊改造的「浸漬處理(Impregnation)」活性碳。材料科學家會根據敵人的不同性質,在活性碳上添加不同的化學藥劑:

  • 酸鹼中和:對付氮氧化物、二氧化硫等酸性氣體,會在活性碳上添加碳酸鉀、氫氧化鉀等鹼性藥劑,透過酸鹼中和反應將有害氣體轉化為固體鹽類。反之,如果添加了磷酸、檸檬酸等酸性藥劑,就能中和空氣中的氨氣等鹼類。
  • 物理吸附與凡德瓦力:對於最麻煩的有機揮發物(VOCs,如甲醛、甲苯),因為它們不具酸鹼性,科學家會精密調控活性碳的孔徑大小,利用龐大的「比表面積」與分子間的吸引力(凡德瓦力),像海綿吸水般將特定的有機分子牢牢鎖在孔隙中。
活性碳如何從物理攔截跨越到分子吸附? / 圖片來源:Amway

空氣濾淨的終極邏輯:物理與化學防線的雙重合圍

在晶圓廠這種對空氣品質斤斤計較的極端環境,活性碳的運用並非「亂槍打鳥」,而是一場極其精密的對戰策略。

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工程師會根據不同製程區域的空氣分析報告,像玩 RPG 遊戲時根據怪物屬性更換裝備一樣——「打火屬性怪要穿防火裝,打冰屬性則換上防寒裝」。在最關鍵的黃光微影區(Photolithography),晶圓最怕的是人體呼出的氨氣,此時便會配置經過酸性藥劑處理的活性碳進行精準中和;而在蝕刻區(Etching),若偵測到酸性廢氣,則會改用鹼性配方的濾網。這種「對症下藥」的客製化邏輯,是確保晶片良率的唯一準則。

而在你的家中,雖然我們無法像晶圓廠那樣天天進行空氣成分分析,但你的肺部同樣需要這種等級的保護。安麗逸新空氣清淨機 SKY 的設計邏輯,正是將這種工業級的精密防護帶入家庭。它不僅擁有前述的高規 HEPA 濾網,更搭載了獲得美國專利的活性碳氣味濾網。

關於活性碳,科學界有個關鍵指標:「比表面積(Specific Surface Area)」。活性碳的孔隙越多、表面積越大,其吸附能力就越強。逸新氣味濾網選用高品質椰殼製成的活性碳,並經過高溫與蒸氣的特殊活化處理,打造出多孔且極致高密度的結構。

這片濾網內的活性碳配重達 1,020 克,但其展開後的總吸附表面積竟然高達 1,260,000 平方公尺——這是一個令人難以想像的數字,相當於 10.5 個台北大巨蛋 的面積。這種超高的比表面積,是市面上常見濾網的百倍之多。更重要的是,它還添加了雙重觸媒技術,能特別針對甲醛、戴奧辛、臭氧以及各種細微的異味分子進行捕捉。這道專利塗層防線,能將你從裝潢家具散發的有機揮發氣體,或是路邊繁忙車流的廢氣中拯救出來,成為全家人的專屬空氣守護者。

總結來說,無論是造價百億的半導體無塵室,還是守護家人的空氣清淨機,其背後的科學邏輯如出一轍:「物理濾網攔截微粒,化學濾網捕捉氣體」。只有當這兩道防線同時運作,空氣才稱得上是真正的「乾淨」。

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懶人最怕洗碗?其實你在操作一座微型實驗室
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2025/10/21 ・3691字 ・閱讀時間約 7 分鐘

本文與 BOSCH 博世家電 合作,泛科學企劃執行

洗碗,懶人最怕的家務?

你也是個不愛洗碗、不喜歡碰水、碰油污的懶人嗎?

每次吃完飯,光是想到要把碗盤疊一疊端去水槽,好心情就先打了個折。油膩膩的鍋子、黏住的飯粒、髒掉的湯匙……這些小麻煩足以讓人懷疑,自己是不是該多存點錢買台洗碗機?

不過,洗碗機可不只是幫懶人解放雙手的「自動打工仔」。打開它,你其實是在啟動一台縮小版的科學實驗室:「流體力學」幫忙把水柱打到每個死角、「材料科學」讓「石頭」吸濕再吐出熱能、能源工程則在後台幫你精打細算電費。

這些聽起來有點專業的名詞,最後都回到三個簡單問題:碗洗得乾不乾淨?能不能馬上乾爽收起來?花多少電?

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洗碗,懶人最怕的家務?/ 圖片:泛科學製作

第一個痛點:洗碗機的角落,為何會是清潔的法外之地?

使用洗碗機最讓人無奈的情境,莫過於滿心期待地打開,卻發現放在角落的那幾個碗盤,上面還掛著惱人的飯粒或醬漬。明明放在中間的餐具都潔淨如新,為何洗碗機的邊緣角落總是成為水流的法外之地?

科學家透過精密的粒子追蹤實驗,給出了一個物理限制:洗碗機噴射臂的水柱,其實都是「直線前進」的。換句話說,水本身不會自動轉彎,這讓「零死角沖洗」變成了一道難解的幾何學考題。

一次完美的洗淨,必須滿足兩大物理條件:足夠強勁的「力道」以及「零死角的沖洗」。

傳統的「一字形」噴射臂在旋轉時,只能掃描出一個圓形區域,結果就是洗碗機的方形腔體有四個角落,成為水流難以有效觸及的「幾何學死角」。

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傳統的「一字形」噴射臂在旋轉時,只能掃描出一個圓形區域 / 圖片:泛科學製作

為了解決這個問題,傳統設計常採用「斜角噴嘴」,試圖將水流送往角落。但研究證實,這種斜角噴嘴會導致水流的「力道」在擊中餐具時嚴重耗損,造成更高的能源消耗與噪音 。

因此,工程師們面臨一個設計上的兩難:是否存在一種設計,能夠在不犧牲「力道」的前提下,從根本上解決「零死角沖洗」這個難纏的幾何困境?

Bosch 的優雅解方 — 以 S 型幾何回應物理挑戰

既然無法改變「水柱是直線的」這個物理現實,那就改變「發射平台」本身的幾何設計。Bosch 所提出的 S 型流線噴水臂,也就是「 360° 水龍捲極勁渦流」技術,便是在這個思路下誕生,其核心優勢在於:

  1. 在幾何學上,它減少了死角:傳統一字形噴射臂的掃描範圍是個「圓」,但在 S 型的曲線設計下,噴射臂在旋轉時,其兩端能更有效地深入方形腔體的四個角落與邊緣。這種 3D 噴水方向,使其掃描範圍能完整涵蓋所有洗淨範圍,減少了覆蓋的盲區。
  2. 在物理學上,它確保了力道:正因為能覆蓋角落,S 型噴水臂減少了對那些低效率「斜角噴嘴」的依賴。確保每一道水柱,都能以接近垂直的角度噴擊餐具,從而最大化「力道」的傳遞效率,達到更佳的清潔效果,同時也更節能、更安靜。
在 S 型的曲線設計下,噴射臂在旋轉時,其兩端能更有效地深入方形腔體的四個角落 / 圖片:泛科學製作

換句話說,這不是單純「水壓加大」的暴力解,而是把流體力學與幾何設計揉在一起的聰明解方。

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第二個痛點:為何洗碗機總是烘不乾塑膠餐具?

在各大洗碗機使用者社群中,總流傳著一個共同的謎題:「為什麼陶瓷、玻璃碗盤都乾了,但塑膠餐具或保鮮盒卻總是掛著惱人的水珠?」尤其在台灣這種潮濕環境,碗盤常常像剛洗完澡一樣,水珠掛在上頭,不僅收不了櫃,還容易悶出霉味。

這個現象背後的科學原理,與材料的「熱容量 (Thermal Mass)」有直接關係,也就是一件物體「儲存總熱量」的能力。

我們可以用一個國中物理就學過的熱量公式來理解:熱量 (H) = 質量 (m) × 比熱 (S) × 溫度變化 (ΔT)。

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  • 高熱容量材料(如陶瓷、玻璃): 因為密度高、質量重(m值大),它們在被高溫熱水沖刷後,能儲存大量的總熱能(H值高)。洗滌結束後,它們就像一塊塊滾燙的鐵板,能靠自身的「餘溫」將表面的水珠蒸發掉。
  • 低熱容量材料(如塑膠): 因為密度低、質量輕(m值極小),即使和陶瓷有著差不多的比熱(S值),它們能儲存的總熱能(H值)依然非常少。熱水一停,表面溫度就迅速下降,完全沒有足夠的「餘溫」去蒸發身上的水珠。

因此,真正的問題不在洗碗機,而在於塑膠材質本身「低熱容量」這個無法改變的物理天性。

那麼,面對塑膠這個難纏的對手,我們是否就無計可施了?如果無法依賴餐具的「內在餘溫」,我們是否能提供一種強大的「外在能量」來逆轉困局?

會呼吸的石頭:沸石的烘乾魔法

既然無法改變塑膠餐具「無法儲存足夠總熱量」的內在天性,唯一的出路,就是提供一個強大的「外在熱源」,主動烘乾。

Bosch 的工程師們從材料科學中找到了答案:一種會「呼吸」的天然礦石—沸石 (Zeolite)

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沸石之所以能解決這個難題,是因為它獨特的物理化學特性,能主動為塑膠餐具提供它最欠缺的「外部熱能」。整個過程分為三步:

  1. 吸濕 (回收水氣): 洗滌結束後,腔體內充滿潮濕的水氣。此時,沸石的奈米級微孔結構會像海綿一樣,強力「吸附」這些水分子。
  2. 放熱 (創造熱能): 這個「吸附」的過程,會釋放出大量的「吸附熱」,使得周圍空氣溫度瞬間飆升,同時變得極度乾燥。研究指出,空氣溫度可從約 50.7℃ 提升至 80℃。
  3. 烘乾 (熱流循環) 這股新鮮出爐的高溫乾燥氣流,會被送回腔體內。對於早已冷卻的塑膠餐具來說,這股「外援」熱流循環,正好提供了蒸發表面水珠所需的一切能量。
沸石的獨特物理化學特性,能主動為塑膠餐具提供它最欠缺的「外部熱能」 / 圖片:泛科學製作

這就是為什麼有人說,沸石能讓碗盤乾得「比沙漠還乾」。但最讓人驚豔的,並不是它的乾燥能力,而是 Bosch 的工程師如何讓這顆魔法石頭,不像一般乾燥劑那樣用完就丟,可以永續循環。

要重複利用沸石,需要高溫才能「再生」,但誰規定一定要為此額外耗費能源?Bosch 的工程師們靈光一閃:「等等,我們的洗碗機在每次洗滌時,本來就要用加熱器把冷水燒熱,這股強大的熱能,配合適當的密閉空間,不就是現成的烤箱嗎?」

於是,這個絕妙的設計誕生了:在下一次洗程加熱時,「順便」將吸飽濕氣的沸石徹底烘乾還原,而沸石釋放出的水氣,正好直接混入洗滌的髒水中一起排出。根據實測,沸石乾燥能比傳統方式省下約 20% 的電力!更重要的是,省下的不只是錢,也是相對應的二氧化碳排放。
*根據博西家電內部實驗室測試結果:沸石洗碗機每次使用耗費約0.76瓦,非沸石洗碗機每次使用耗費約0.98瓦。

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BOSCH 全球獨家沸石乾燥科技 / 圖片:BOSCH 提供

廚房裡的永續實驗室

洗碗機聽起來只是幫懶人偷懶的家電,但細看背後,其實是一座縮小版的實驗室:流體力學解決清潔死角,材料科學讓石頭學會「吸水吐熱」,能源工程則幫你算好電費與碳排。

換個角度想,每一次啟動洗碗機,不只是省下一雙泡在油水裡的手,也同時把高深的科學應用,轉化成日常的乾淨、省電與環保。

下次當你選購洗碗機時, 不妨也從科學家的角度,向它提出兩個關鍵問題:

  • 「你如何解決方形空間裡的清潔死角問題?」
  • 「你用什麼科學方法來對付濕漉漉的塑膠?」
BOSCH 颶風級水龍捲極致洗淨 / 圖片:BOSCH 提供
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聲音的DNA:聲紋辨識
雅文兒童聽語文教基金會_96
・2023/01/14 ・2473字 ・閱讀時間約 5 分鐘

  • 文/洪萱眉 雅文基金會聽語科學研究中心 助理研究員

在如今這個網路時代,人人在日常生活中都常要透過帳號、密碼來辨識身份,不管是提款卡、行動裝置(手機、筆電、平板)、網路銀行、行動支付等,都需設定一組帳號密碼來辨識自己的身份。

為了不讓自己的帳號被駭,每次都得抓破頭來設定,太簡單擔心被破解,太複雜又怕自己記不住。更煩人的是,每個平台的密碼設定都有自己的規則,有些要求要有特殊符號,有些則要求英文大小寫和數字都要有。

於是,為了兼顧安全與便利性,越來越多廠商使用指紋辨識來解鎖,這樣既不用擔心忘記密碼,也不容易被盜用。然而,你知道,我們的聲音其實和指紋一樣,也能進行身份辨識嗎?

專屬個人的聲音密碼

每個人的聲音都有獨特性,和指紋一樣能進行身份辨識。圖/freepik

聲音跟指紋一樣,都有獨一無二的特定性,而在利用聲音的特性做辨識時,就稱為聲紋辨識。我們接到熟識親朋好友來電時,他們不用說他是誰,我們只要一聽到聲音就能辨識。這是因為每個人的說話特性不同,聽聲音就能辨識說話者。而我們的語音訊號中可供辨識的因素,主要可分為三個面向[1]

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  • 發音器官的差異:因每個人的發音器官差異,如口腔形狀、聲帶長短粗細不同,造成每個人的聲音特性有所不同。例如,當小朋友前排乳牙掉了時,說話時會有俗稱「漏風」的感覺,就是因為口腔的共鳴特性變了而造成的;而男生的聲帶比女生的要長且粗厚,振動頻率較低,因此聲音較低沈。
  • 說話方式的差異:每個人的說話習慣的不同,像是說話的語速、語氣、抑揚頓挫、咬字清晰度、口音等等。比如電話一接通,就聽到大聲又連珠炮似的說話,馬上就知道是樓上的王阿姨要找媽媽。或是一聽到緩慢溫柔充滿感情的台灣國語,就知道是阿嬤從台南打電話來了。
  • 說話內容的差異:生長背景、教育程度、社經地位的不同,使說話內容有所差異,例如:用詞、句型等等。像巷口賣水果的阿伯和他讀中文系的女兒,同樣要向顧客自賣自誇鳳梨有多甜,女兒也許會說「那甜蜜的滋味藏著一絲微微的酸,就像那年夏天的初戀」,阿伯則可能會說「帥哥偶謀騙你,這粒旺來跟我女兒的笑容一樣甜啦!」

上述的這些差異都可作為我們辨識說話者的依據。而其中說話方式和內容可能被他人學習、模仿,只有發音器官的差異是天生的,無法被模仿且在分析,所以許多辨識系統是採用發音的聲學特徵(acoustic features),例如,聲音頻率(高/低)、音色(如:輕柔、渾厚)等特性都可作為辨識的依據[1]

聲紋比對辨身分

聲紋辨識和指紋一樣,皆為生物辨識的一種。從人類的身上萃取出具有身份鑑別能力的特徵,如:指紋、聲音,將此特徵經處理、分析後儲在系統裡,日後可依據此特徵來辨識使用者的身份。利用我們獨特的聲音來辨識身份的聲紋技術,亦可稱為「語者辨認」或「說話人辨認」(speaker identification)[2]

聲紋辨識的過程包含兩個階段:1. 聲紋提取(voiceprint extraction)。2. 聲紋比對(voiceprint comparison)。在確認說話者的身分之前,要先有說話者的聲音語料,依說話者提供的聲音語料進行分析,並建立專屬他的聲紋模型

一般在處理語音訊號時,會將音檔切割成小區段的方式來處理、進行分析,透過聲譜圖上的資訊來分析說話者的聲音頻率、音強、抑揚頓挫等建立專屬他的聲紋模型,並將其聲紋資訊存到系統裡。就像將我們的指紋存到手機的系統裡一樣,可以比對我們登錄系統裡的生物資訊來進行身份的核對。

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當系統裡存有說話者的聲紋資訊後,其實就就能快速的進行一對一的說話者身份驗證(speaker verification),或是進行一對多的說話者辨認(speaker identification),從眾多人找出誰是說話者[3]

聲紋辨識不只可以抓犯人,還可以……

上述的聲紋辨識,是不是會讓你聯想到在看影集時,劇中的刑警從報案中心的人聲或是搜集回來的錄音檔中,辨識出報案人或犯人的身份。一般大家的印象會覺得聲紋辨識只會出現在刑事調查中,但其實日常生活中已經有用到聲紋來辨識身份囉!比如,智慧型手機的語音助理,只要說出關鍵詞:「嘿,Siri」、「OK Google」就能啟動AI回應。

其實,這個過程就是擷取聲音特徵,並與之前登錄的音檔互相比對,進行說話者的身份認證。除此之外,越來越多的金融機構也開始引進這項技術,憑聲音來確認身份,這樣除了可以取代回答冗長的問題來確認客戶身份、提高便利性外,也同時提高了安全性[4]

除了辨識身份,聲紋辨識其實也能應用在其他地方。現在也有許多研究團隊開發各種聲紋科技的應用,例如:透過大數據的聲音比對,由電腦判斷出鳳梨的好壞[5]、或是辨識青蛙叫聲的APP [6]等,這些也都是運用到聲紋辨識的原理。想必聲紋科技的發展會是一種趨勢,未來會有越來越多的場合都能運用此技術,讓我們拭目以待!

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現今生活中越來越多使用聲紋辨識技術。比如,現代人不可分開的智慧型手機,對手機的語音助理說出關鍵台詞,就能啟動AI的回應。圖/freepik

參考資料:

  1. 王小川。(2009)。說話人辨認。語音訊號處理(第二版,頁12-2 – 12-12)。全華圖書。清華大學電機系。淺談語者辨認http://web.ee.nthu.edu.tw/p/404-1175-11508.php?Lang=zh-tw
  2. Phonexia. (n.d). What Is Voice Biometrics?https://www.phonexia.com/knowledge-base/voice-biometrics-essential-guide/
  3. 緒方憲太郎。(2022)。語音科技將會如何改變未來。聲音經濟學(林詠譯,頁159-191)。商周出版。
  4. 洪明生、蘇晟維。(2022/12/11)。大數據聲紋比對判斷好壞 選鳳梨用「聽」的! Yahoo!新聞。取自:https://bit.ly/3Vrh2Hf
  5. 上游新聞市集。(2022/8/25)。現在是哪隻青蛙在叫?「蛙抵家」APP幫你聽聲認蛙!青蛙辨識軟體,揪你幫台灣錄蛙聲。取自:https://today.line.me/tw/v2/article/7NjZrr8
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雅文兒童聽語文教基金會_96
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雅文基金會提供聽損兒早期療育服務,近年來更致力分享親子教養資訊、推動聽損兒童融合教育,並普及聽力保健知識,期盼在家庭、學校和社會埋下良善的種子,替聽損者營造更加友善的環境。